軟弱圍巖隧道施工技術(shù)探討

郭王義

(太原鐵路局建設(shè)管理處，山西太原 030012)

北同蒲鐵路沿線(xiàn)有豐富的煤炭資源，占大秦線(xiàn)集運(yùn)約50%的煤炭運(yùn)量，但既有北同蒲鐵路修建年代較早，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、行車(chē)速度慢、通過(guò)能力小，已經(jīng)不能適應(yīng)客貨運(yùn)輸要求。北同蒲線(xiàn)山陰至原平取直線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng):北同蒲取直線(xiàn))工程建成后，將使北同蒲既有鐵路近期釋放1.4億t、遠(yuǎn)期釋放1.7億t的煤炭運(yùn)輸能力，對(duì)保證我國(guó)的能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義，同時(shí)對(duì)促進(jìn)沿線(xiàn)地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高當(dāng)?shù)厝罕姷纳钯|(zhì)量也是十分必要的。雁門(mén)關(guān)隧道是北同蒲取直線(xiàn)鐵路工程唯一的隧道，也是全線(xiàn)的重點(diǎn)控制性工程，該隧道施工正洞穿越多條斷層破碎帶，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地下水極為豐富，屬極高(Ⅰ級(jí):特別嚴(yán)重)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道建設(shè)過(guò)程中，不可預(yù)見(jiàn)因素多，施工安全很難保證。在施工前方案制定時(shí)，對(duì)工程難度進(jìn)行了詳細(xì)分析，并制定了行之有效的可靠措施。雁門(mén)關(guān)隧道于2007年11月18日正式開(kāi)工，在施工過(guò)程中，嚴(yán)格落實(shí)審批通過(guò)的各項(xiàng)措施，狠抓施工現(xiàn)場(chǎng)管理，克服了地下水豐富、圍巖軟弱、斷層破碎帶等種種不利因素，于2013年4月30日順利貫通，在整個(gè)施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了“一人未傷”的安全預(yù)期目標(biāo)，為全線(xiàn)早日通車(chē)奠定了基礎(chǔ)。

1 工程概述

北同蒲取直線(xiàn)雁門(mén)關(guān)隧道，設(shè)計(jì)為單洞雙線(xiàn)隧道，起訖里程DK110+855～DK124+940，隧道全長(zhǎng)14 085 m。隧道穿越以恒山山脈為主干的構(gòu)造侵蝕、剝蝕基巖山區(qū)地貌，地面山高谷深，群峰連綿，最大埋深約820 m。隧道圍巖為古老的變質(zhì)巖地層，巖性復(fù)雜多變，斷層、層面和構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，多見(jiàn)層間摩擦面和巖脈穿插，燕山期多次的地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)，使區(qū)內(nèi)生成了一系列斷裂構(gòu)造。隧道正洞穿越19條斷層破碎帶，地下水極為豐富，設(shè)計(jì)最大涌水量達(dá)29 800 m3/d，且具有承壓性，由于特殊的地理、氣候和構(gòu)造條件，隧址區(qū)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，工程施工難度非常大，為極高(Ⅰ級(jí):特別嚴(yán)重)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

2 工程重難點(diǎn)分析

1)地下水蘊(yùn)藏豐富，圍巖節(jié)理發(fā)育，開(kāi)挖時(shí)容易發(fā)生涌水、突泥等災(zāi)害;2)隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，正洞穿越斷層破碎帶達(dá)19處，圍巖破碎、自穩(wěn)性差，易誘發(fā)塌方等安全事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)設(shè)備損失;3)圍巖地應(yīng)力大，容易發(fā)生巖爆和初支、二襯變形開(kāi)裂等問(wèn)題;4)該隧道為全線(xiàn)重點(diǎn)控制性工程，工期壓力非常大。

3 主要施工技術(shù)措施

3.1 重視防排水措施是關(guān)鍵

1)減少洞頂?shù)乇硭聺B。施工前，對(duì)隧道中線(xiàn)走向的山體地形等現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，及時(shí)封堵山體地表裂縫，對(duì)地形坑洼地段進(jìn)行回填，并疏導(dǎo)山體自然排水系統(tǒng)，盡量減少地表水的下滲。

2)注漿防水。注漿防水施工應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的圍巖狀況、出水量大小等實(shí)際情況制定合理的方案，并按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和工藝完善，保證注漿效果。在富水地段或軟弱地層，水壓和涌水量較大，且圍巖自穩(wěn)能力差的地段，采用全斷面預(yù)注漿進(jìn)行堵水;涌水量較大，但水壓不大，且圍巖有一定自穩(wěn)能力的地段，采用帷幕注漿進(jìn)行堵水，加固范圍均擴(kuò)大至開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外3 m～8 m。

3)及時(shí)抽排隧道內(nèi)積水。施工中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際引水歸槽，集中排放，在下臺(tái)階適當(dāng)位置設(shè)臨時(shí)集水坑，集水坑與邊墻初支、仰拱開(kāi)挖面隔開(kāi)一定的距離，避免積水長(zhǎng)時(shí)間浸泡初支墻腳和隧道基底。按掌子面和初支出水量大小配齊、配足抽水設(shè)施，及時(shí)將作業(yè)面的積水抽排至隧道外，保障隧道施工安全。

3.2 抓好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是前提

1)施工前，編制超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施細(xì)則，其內(nèi)容包括實(shí)施方案、分段預(yù)報(bào)內(nèi)容、方法及技術(shù)要點(diǎn)等。2)施工中，把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)真正納入工序管理，并給予必要的施作時(shí)間。3)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論在開(kāi)挖方式中的應(yīng)用。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和掌子面地質(zhì)素描結(jié)果，對(duì)圍巖極度破碎地段及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方式和方法，現(xiàn)場(chǎng)采用微臺(tái)階分步開(kāi)挖工藝，效果比較明顯，其施工藝流程圖和工序示意圖見(jiàn)圖1，圖2。4)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論在變更設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在隧道施工過(guò)程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)論與設(shè)計(jì)地質(zhì)資料及時(shí)對(duì)比分析，為變更設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為施工安全和結(jié)構(gòu)質(zhì)量提供了保證。該隧道圍巖原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況為:Ⅱ級(jí)圍巖9 595 m，Ⅲ級(jí)圍巖1 495 m，Ⅳ級(jí)圍巖1 685 m，Ⅴ級(jí)圍巖1 270 m，明洞40 m，總計(jì)14 085 m。應(yīng)用地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行了圍巖變更，變更后的地質(zhì)情況為:Ⅱ級(jí)圍巖45 m，Ⅲ級(jí)圍巖470 m，Ⅳ級(jí)圍巖4 200 m，Ⅴ級(jí)圍巖9 351 m，明洞19 m，總計(jì)14 085 m。

圖1 微臺(tái)階分步開(kāi)挖工藝流程圖

圖2 微臺(tái)階分步開(kāi)挖工序示意圖（單位：m）

3.3 增強(qiáng)初支剛度是結(jié)構(gòu)和施工安全的保證

該隧道穿越斷層破碎帶較多，在圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體極度破碎，自穩(wěn)能力很差，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變的情況下，單排小導(dǎo)管與普通初支鋼架難以保證施工安全及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過(guò)斷層極度破碎區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)采取了初支結(jié)構(gòu)強(qiáng)化措施，采用了雙排小導(dǎo)管注漿和雙層H175型鋼拱架，起到了很好的效果。

3.3.1 采用雙排超前小導(dǎo)管

為保證安全，超前支護(hù)在拱頂120°每環(huán)設(shè)置兩排φ50×3.5 mm超前注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.0 m，環(huán)向間距每米3根，兩排超前導(dǎo)管內(nèi)側(cè)一排外插角15°，外層一排外插角30°，每?jī)砷凹茉O(shè)置一環(huán)，小導(dǎo)管注水泥—水玻璃雙液漿。

圍巖破碎且比較均勻地段的超前小導(dǎo)管，采用風(fēng)槍直接推送，遇夾有堅(jiān)硬巖塊部位，先用風(fēng)鉆成孔后再推送就位。超前小導(dǎo)管安設(shè)前，先噴5 cm～10 cm厚混凝土封閉掌子面作為止?jié){墻，便于后續(xù)注漿時(shí)起到止?jié){作用，順序?yàn)閺膬蓚?cè)拱腰向拱頂依次進(jìn)行。

3.3.2 初支結(jié)構(gòu)采取雙層H175型鋼拱架

對(duì)超前小導(dǎo)管先進(jìn)行超前高壓預(yù)注漿，保證擴(kuò)散半徑不小于2.0 m，固結(jié)破碎巖體，增強(qiáng)拱部圍巖的自穩(wěn)能力。開(kāi)挖時(shí)，在隧道初支設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)的基礎(chǔ)上，增加預(yù)留變形量約20 cm～50 cm(具體數(shù)值按照附近初支變形量確定)。

雙層H175鋼架的間距控制在0.6 m，鋼架間縱向連接筋采用φ22 mm(HRB335)鋼筋，間距1.0 m，單層 φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，拱腳以上50 cm處增設(shè)Ⅰ20b工字鋼縱向托梁，兩排間距30 cm(見(jiàn)圖3)。每臺(tái)階拱腳設(shè)置4根長(zhǎng)度為5 m的φ50注漿鎖腳錨管，錨管端頭與鋼架焊接牢固，且外插腳30°～45°(見(jiàn)圖4)，鎖腳錨管中壓注水泥—水玻璃漿。

3.4 圍巖監(jiān)控量測(cè)是指導(dǎo)施工的依據(jù)

3.4.1 原始數(shù)據(jù)的收集

為取得開(kāi)挖后圍巖早期狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，各項(xiàng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近掌子面布置(不大于2 m)，在開(kāi)挖成型2 h內(nèi)及時(shí)讀取初次讀數(shù)。對(duì)于隧道開(kāi)挖時(shí)圍巖破碎地段應(yīng)加大監(jiān)控量測(cè)的頻率，認(rèn)真記錄原始數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)加密后的量測(cè)頻率(見(jiàn)表1)。

圖3 Ⅰ20b托梁示意圖

圖4 鎖腳錨管示意圖

表1 圍巖監(jiān)控量測(cè)頻率表(位移速度)

3.4.2 圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析及信息反饋

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)的數(shù)據(jù)，及時(shí)繪制圍巖變形—時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)分析圖(見(jiàn)圖5，圖6)，根據(jù)曲線(xiàn)圖預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全性，評(píng)價(jià)施工方法，確定合理的工程技術(shù)措施。

圖5 圍巖橫向收斂分析圖（2010年）

圖6 圍巖拱頂下沉分析圖

3.4.3 監(jiān)控量測(cè)信息的應(yīng)用

根據(jù)某一段多個(gè)量測(cè)斷面的施工信息綜合分析處理結(jié)果，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)修正、施工方法優(yōu)化、施工工序調(diào)整、預(yù)留變形量修正及需要采取輔助的施工措施等。由于該隧道屬高風(fēng)險(xiǎn)隧道，監(jiān)控量測(cè)作為施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)顯得尤為重要，應(yīng)及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，判斷其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并及時(shí)反饋到工程中去指導(dǎo)施工。在施工過(guò)程中，通過(guò)反饋的量測(cè)信息，多次及時(shí)停止了掌子面掘進(jìn)作業(yè)，對(duì)初支采取了加固和補(bǔ)強(qiáng)措施，從而避免了大的安全事故發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

雁門(mén)關(guān)隧道在施工過(guò)程中，雖然涌水量比較大，正洞頻繁穿越斷層破碎帶，多次出現(xiàn)過(guò)掌子面坍塌和初支變形開(kāi)裂，但未發(fā)生過(guò)人員傷亡和掩埋施工機(jī)械設(shè)備等安全事故，將經(jīng)濟(jì)損失降低到了最小，為全線(xiàn)順利開(kāi)通奠定了基礎(chǔ)。實(shí)踐證明軟弱圍巖隧道施工應(yīng)該從以下幾方面引起重視:

1)隧道穿越軟弱破碎圍巖地段，施工必須引起高度重視的是地下水的影響。在軟弱的變質(zhì)巖段，地下水的作用加快了圍巖的變形速率，使圍巖穩(wěn)定條件惡化，易形成大塌方，所以在開(kāi)挖時(shí)如有地下水，就應(yīng)該及時(shí)施作初期支護(hù)，而且初支變形超過(guò)正常水平時(shí)，應(yīng)及時(shí)變更設(shè)計(jì)對(duì)初期支護(hù)采取強(qiáng)化措施，抑制圍巖的進(jìn)一步變形，防止發(fā)生坍塌。2)加強(qiáng)超前探孔和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，綜合分析多種方法，及時(shí)了解前方圍巖狀況，從而聯(lián)系設(shè)計(jì)部門(mén)及時(shí)調(diào)整圍巖初期支護(hù)參數(shù)。3)隨時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方式及方法。特別對(duì)圍巖分布不均勻的情況，施工中采取超短三臺(tái)階預(yù)留核心土或微臺(tái)階分步等開(kāi)挖方法，也許可以避免塌方或降低坍塌規(guī)模。4)在松散、軟弱、破碎圍巖段，需局部爆破時(shí)，必須嚴(yán)格控制炮眼深度、間距、裝藥量等爆破參數(shù)，減小對(duì)周?chē)浫跗扑閲鷰r的擾動(dòng)。5)施工過(guò)程中要加強(qiáng)和重視監(jiān)控量測(cè)工作，必要段落適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)頻次和范圍，對(duì)圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行回歸分析，利用監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。6)合理安排部署，縮短各工序時(shí)間，選擇合理的循環(huán)進(jìn)尺，使初支結(jié)構(gòu)盡快閉合成環(huán)，加快二次襯砌施作，讓二襯和初期支護(hù)共同受力。

［1］TZ 331-2009，鐵路隧道防排水施工技術(shù)指南［S］.

［2］TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］.

［3］TB 10304-2009，鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］TB 10121-2007，鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.